{首页主词},&

金屬頂刊《Acta Materialia》：激光粉末增材制造超細Al-7Ce-10Mg (wt.%)合金！

2023-01-30 14:11:27 作者：材料學網來源：材料學網分享至：

激光粉末床融合(L-PBF)是一種快速發展的增材制造(AM)技術，用于制造復雜形狀的金屬部件。由于鋁合金的低密度和高比機械性能，人們對其增材制造非常感興趣，但許多商業鋁合金不適合L-PBF，因為它們在凝固過程中開裂。一類可打印鋁合金是共晶系(如Al- Si基合金)，其具有較窄的凍結范圍，可抑制熱撕裂。另一種方法是加入晶粒細化劑，使細小的等軸晶粒成核，這種晶粒細化劑比通常在L-PBF過程中形成的大柱狀晶粒更有效地抵抗沿晶界的裂紋擴展。這種晶粒細化劑包括主要的L1₂沉淀形成元素(Sc, Zr, Ti)，以及TiB₂或LaB₆等陶瓷晶粒細化劑。除了可印刷性外，另一個目標是設計在高溫(200-450℃)下具有高強度的鋁合金，以取代在這些溫度下更重或更昂貴的Ti或Fe基合金。這些高溫鋁合金必須通過在這些溫度下抗粗化和溶解的相位進行強化，同時具有良好的印刷適應性。

在此，我們的目標是通過將Zr和Sc添加到近共晶Al-Ce基合金中，將這些強化方法結合起來，以實現Al-7Ce-10Mg-0.71Zr-0.23Sc (wt.%)合金。結果表明，Zr和Sc可以結合成鑄態和激光重熔的Al-Ce基合金，Al₁₁Ce₃和L1₂Al₃(Zr,Sc)相幾乎獨立形成，從而提高了力學性能。在本實驗中，Zr和Sc的濃度相對于文獻中其他含Zr和Sc的AM Al合金保持較低(但相對于鑄造合金較高)。由于共晶Al-Ce體系提供了可印刷性，Zr和Sc可以保持在凝固時沒有初級微米級Al₃(Zr,Sc)沉淀形成的水平，因此所有Zr和Sc都保持在過飽和固溶體中，并在時效過程中完全可用來形成次級Al₃(Zr,Sc)納米沉淀物。添加鎂用于固溶強化，因為它已被證明與Al-Ce合金以及含Zr和Sc的鋁合金兼容，與這些元素不形成有害相。因此，我們的Al-7Ce-10Mg-0.71Zr-0.23Sc (wt.%)合金結合了三種強化機制:通過Al₁₁Ce₃共晶相的載荷轉移，L1₂Al₃(Zr,Sc)納米沉淀物的沉淀強化，以及Mg的固溶強化，同時還利用L-PBF加工條件進一步改善這些各種機制。

在此，美國西北大學Clement N. Ekaputra教授團隊采用原位合金化的方法，將元素Zr和Sc或濃縮主合金Al - 10wt .% Zr和Al - 10wt .% Sc粉末與預合金化Al-7Ce-10Mg粉末混合。雖然這種方法比生產完全預合金化的Al-Ce-Mg-Zr-Sc粉末更經濟，時間更短，但確保Zr和Sc在合金中的溶解和均勻性對于實現一致的力學性能至關重要。因此，本研究的很大一部分集中在合金制備時的微觀組織:通過實驗和計算研究了工藝參數對合金中Zr和Sc均勻性的影響，重點研究了Zr顆粒在L-PBF過程中的溶解情況。在Zr和Sc的均勻性的背景下，還討論了這些合金在后續時效過程中的晶粒組織和顯微硬度。添加Al-10Zr和Al-10Sc粉末的樣品與添加單質Zr和Sc的樣品相比，Zr和Sc溶解量更大，這是因為溶解物種的尺寸更小(預合金為5µm，單質為20µm)，熔點更低(Al₃Zr, Al₃Sc為1580和1320°C, Zr, Sc為1850和1541°C)。用預合金化粉末制備的合金顯示出由L1₂Al₃(Zr,Sc)初生析出相成核的大量極細晶粒(1-2 μ m)，并且在時效過程中具有明顯的硬化響應，與過飽和Zr和Sc形成高數量密度的L1₂Al₃(Zr,Sc)納米沉淀物一致。相關研究成果以題“Eutectic, precipitation-strengthened alloy via laser fusion of blends of Al-7Ce-10Mg (wt.%), Zr, and Sc powders”發表在Acta Materialia上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645423000083

圖1 本研究中使用的粉末的SEM圖像

(a-f)中所有比例尺均為50µm，除非另有說明。(a)篩過的Zr粉(<20μm)， (b) Sc粉，(c) Al- 10zr粉(插圖:拋光后的截面，深色Al基體中有明亮的Al₃Zr顆粒)，(d) Al- 10Sc粉(插圖:拋光后的截面，暗Al基體中有明亮的Al₃Sc顆粒)，(e) Al- 7Ce - 10Mg球形粉末與接受的Zr元素(0.3 vol.%)和Sc (0.21 vol.%)粉末的混合(明亮的粉末，箭頭)，(f) Al- 7Ce - 10Mg粉末的截面，明亮的富Ce相。

圖2

(a)制作時的元素(藍色圓圈)和主合金(紅色方塊)樣品的相對密度與掃描速度的關系圖。主合金樣品在200mm /s的速度下出現打印失敗，該數據點不包括在內。報告值是為每種條件打印的三個獨立樣品的密度的平均值和標準偏差。(b)制造時元素合金和主合金樣品的相應光學顯微照片(氣孔為黑色)。所有比例尺均為100µm。

圖3

(a)元素樣品微結構的低倍率后向散射SEM圖像(激光功率200 W，掃描速度600 mm/s，間距100µm，單次掃描)，顯示部分溶解的Zr和Sc顆粒(用紅色箭頭標記)在均勻的Al-Ce-Mg基體中。(b)熔池邊界附近基質的高倍放大圖像(黃線)，顯示亞微米共晶結構，其中富Ce金屬間相在熔池底部表現出更連續的形態，向頂部表現出更破碎的形態，(c)部分溶解的Zr顆粒(箭頭顯示富Al層)嵌入Al-Ce-Mg基質中，插入圖顯示界面處含有Al和Zr的原纖維，(d)部分溶解的Sc顆粒(箭頭顯示富Al層)嵌在Al- Ce - Mg基體中。

圖4

(a) Zr粒子的二次電子圖像(在同一樣品中，但不是圖3(c)所示的同一粒子)。(b) Al和(c) Zr顆粒附近的EDS圖，(d) Zr顆粒附近的晶粒結構EBSD圖，(e) Al-Zr界面處含Al和含Zr的金屬間相圖。

圖5 元素樣品中部分溶解Zr顆粒的面積分數與以下因素的關系

(a)掃描速度，其中藍色圓圈對應單次掃描樣品，紅色正方形對應雙次掃描樣品，(b)艙口間距。面積分數0.3%處的水平虛線對應添加Zr顆粒的體積分數，其中0.3%表示Zr沒有溶解。兩個圖中的藍色空心圓對應相同的加工條件。工藝參數(激光功率W，掃描速度mm/s，艙口間距µm)在插圖中給出。除紅色方塊標記的單個數據點外，所有樣本均采用單次掃描。

圖6

(a)主合金樣品顯微組織低倍率后向散射SEM圖像(激光功率200 W，掃描速度600 mm/s，艙口間距100µm，單次掃描)。紅色箭頭指向Zr富集的小區域。(b)熔池邊界附近基質的高倍放大圖像(黃色虛線顯示，顯示含有Ce和Mg的金屬間相的存在，(c) Al₃Zr顆粒，(d)富含Zr的“漩渦”，由黃色虛線勾勒，以及(e)含Zr的氧化物顆粒。

圖7

主合金基體和元素樣品中(a) Zr和(b) Sc的濃度與掃描速度的關系，由遠離明顯富集區域的EDS測量。虛線在0.21at.% Zr和0.14 at.% Sc表示樣品中Zr和Sc的總濃度(即所有顆粒完全溶解時的值)。誤差條表示10個獨立EDS測量值的標準偏差。

圖8 反極圖(IPF)圖

(a)元素合金樣品和(b)主合金樣品的晶粒結構(激光功率200 W，掃描速度600 mm/s，縫隙間距100µm，單次掃描)。

圖9

元素合金、母合金和堿性Al-Ce-Mg樣品維氏顯微硬度在350℃等溫時效過程中的演變(激光功率200 W，掃描速度600 mm/s，縫隙間距100µm，單次掃描)。

圖10

(a)模型示意圖，其中固定的球形Zr粒子暴露于移動的激光時溶解。(b)激光移動時Zr粒子所在位置的溫度分布和Zr溶解量隨時間變化的樣本，Zr溶解量最顯著時放大視圖。Zr和Al, T_m,Zr和T_m,Al的熔化溫度用橙色虛線標記。模型中允許的最高溫度為Al的沸騰溫度，導致觀測到的溫度平臺。(c) y-z平面最高溫度與位置的關系。(d)對于Zr粒子的許多隨機y,z坐標，只考慮對流和擴散的貢獻，Zr溶解的分數隨位置的變化;(e)來自熔化。(c,e)中的白色虛線對應的是熔池溫度等于Zr的熔化溫度。

圖11 工藝參數對鋯溶出率的影響

(a)模型和實驗Zr溶解與掃描速度的關系，其中一個數據點來自以400 mm/s掃描速度重新掃描的模型(藍色圓圈)。(b)模型Zr溶解與粒子半徑的關系(在恒定的400 mm/s掃描速度下)，考慮了Zr和Al₃Zr的擴散(帶對流)和熔化的單獨和聯合貢獻。

綜上所述，Ekaputra教授團隊研究了兩種Al-Ce-Mg-Zr-Sc合金的顯微組織和力學性能。元素樣品由Al-7Ce-10Mg (wt.%)粉末與純Zr和Sc粉末混合制成，主合金樣品由Al-10Zr和Al-10Sc (wt.%)粉末制成。主要結果如下:

1.在制備時的單質合金中，存在許多部分溶解的Zr和Sc顆粒。主合金樣品中Zr和Sc存在一定的不均勻性，但Zr和Sc的溶出量較高。

2.在元素樣品中，部分溶解Zr和Sc的數量隨著掃描速度的降低而增加，但不受重熔層或減小艙口間距的影響。通過一個簡單的數值模型分析了這些工藝參數的影響，并與上述結果進行了定性分析。基于這項研究，更高的激光功率、更低的掃描速度、更小的顆粒尺寸和更低的熔點粉末都有望導致更大的微觀結構均勻性。

3.與Zr和Sc(1850和1541℃)相比，Al₃Zr和Al₃Sc的熔點更低(1580和1320℃)，溶解顆粒更細(主合金添加物為1-5μm，單質添加物為20-45μm)，導致Zr和Sc在主合金樣品中的溶解率更高。主合金方法允許Zr和Sc組成的最終合金的完全靈活性，使用少量易于加工的粉末狀Al-10Zr(或Al-10Sc)合金，由元素電弧熔化制成。